平安城市综合管理平台视频传输网络建设方案.docx
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平安城市综合管理平台视频传输网络建设方案
平安城市综合管理平台视频传输网络建设方案
7.1视频传输网络概述
平安城市视频监控网络组网方案模型，视具体监控点位与区域而定，可以分为广域监控组网方案模型、城域监控组网方案模型、多域监控组网方案模型。
在广域、城域、多域监控组网方案模型中，按照网络拓扑结构划分，可以分为星形拓扑方案模型、树形/总线形拓扑模型、环形拓扑模型；在小型平安城市监控网络中（监控点数一般在3000点以内），星形拓扑结构方案实际案例中应用较为广泛；在大型平安城市监控网络中（监控点数超万），环形拓扑结构方案实际案例中应用较为广泛；树形拓扑结构模型则广泛存在于星形和环形方案之中，如果作为视频传输拓扑方案单独使用，一般采用GPON/EPON的方式进行接入使用总体说明视频传输网络。
平安城市视频监控网络建设实际项目运作中，可以采用两种方案进行架构。
一种是公安机关自身投资单独建设监控专网，与外网完全隔离，通过综合本身架构的视频专网与社会公共监控资源，共同构建出平安城市整体网络架构。
另一种方式是采用租借运营商视频传输网络的方式，核心交换设备与传输线路全部租用，通过自建监控中心的路由器接入运营商网络的方式。
7.2视频传输方式
无论是公安专网专线方案，还是租用运营商网络方案，均会涉及到视频传输基本方式。
按照前端设备类型和实际传输方式选型需要，按照业内规范，可以分为六种方式，即视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、双绞线传输、宽频共缆传输。
视频基带传输采用同轴电缆（非平衡）直接传输模拟信号，适用于300米以内的模拟视频信号传输与接入，接入网结构采用星形结构，视频信号与控制信号分离，布线量大，维护困难，扩展性能差，一般不用于大型监控系统建设；
光纤传输，一般使用模拟光端机或数字光端机进行接入，传输距离远，可达几百公里，衰减小，线路抗干扰性能好，缺点是短距离（10公里以内）建设成本高，且不易维护，升级扩容难；短距离（10公里以内）光纤传输方式可以用于构建应急视频传输专线专网，用于对重点监控区域的应急灾备监控；
网络传输，用于解决城域间远距离、点位分布分散的监控传输方式，采用MPEG2/4、H.264音视频压缩格式传输监控信号。
采用网络视频服务器作为监控信号的上传设备，只要有因特网的地方，安装上监控软件就可以进行监控，但要承受网络带宽和速度的限制，再要承受接入层和汇聚层交换机的转发性能，监控动画效果会有延时卡顿等现象，这也是网络实时监控的一个瓶颈所在，如果视频专网带宽足够（大于8M），交换机性能足够优越（传输时延小于50ms），则可以布置高清实时网络监控；
微波传输主要是用于解决几公里到几十公里不易布线的场所，调制方式一般采用调频或调幅的方式，将图像搭载到高频载波上，转换为高频电磁波进行传输。
性能稳定，综合成本低，可动态实时传输广播级图像，且组网灵活，即插即用；常用的有L波段（1.0～2.0GHz）、S波段（2.0～3.0GHz）、Ku波段（10～12GHz），传输环境是开放的空间，如果在大城市使用，无线电波比较复杂，相对容易受外界电磁干扰，一般在平安城市解决方案中主要用于城郊开阔区域；
双绞线传输也是视频基带传输的一种，将75Ω的非平衡模式转换为平衡模式来传输的，是解决监控图像1Km内传输，电磁环境相对复杂、场合比较好的解决方式，将监控图像信号处理通过平衡对称方式传输。
布线简易、成本低廉、抗共模干忧性能强，但只能解决1Km以内监控图像传输，而且一根双绞线只能传输一路图像，不适合应用在大中型监控中;
宽频共缆传输，视频采用调幅调制、伴音调频搭载、FSK数据信号调制等技术，将数十路监控图像、伴音、控制及报警信号集成到“一根”同轴电缆中双向传输。
充分利用了同轴电缆的资源空间，三十路音视频及控制信号在同一根电缆中双向传输、实现“一线通”；但由于是采用弱信号传输，系统调试技术要求高，必须使用专业仪器，如果干线线路有一台设备有问题，可能导致整个系统没图像，另外宽频调制端需外加AC220V交流电源供电（但目前大多监控点都具备AC220V交流电源这个条件）；说明视频网络建设中使用的视频传输方式，不同的传输网络方案需要使用不同的视频传输方式。
7.3视频传输网络总体设计
视频传输网络方案总体设计，核心即要选择合适的网络拓扑结构，即星形拓扑、树形/总线形拓扑、环形拓扑。
如果只考虑前段监控设备接入，也可采用这三种方式进行接入，这也是基本网络传输方案中最常见的拓扑形式，实际应用最为广泛。
7.3.1星形拓扑结构
星形拓扑分为星形拓扑和扩展星形拓扑，其中星形拓扑是用一个节点作为中心节点，其他节点直接与中心节点相连构成的网络拓扑结构；扩展星形拓扑是在星形拓扑的基础上对中心节点进行双机扩展，形成两个或多个中心节点方案（一般常用两个中心节点相互扩展），其他节点分别于两个中心节点相连构成的网络拓扑结构。
星形拓扑结构
扩展星形拓扑
注：
双星结构是实际网络中普遍采用的网络结构之一；
7.3.2树形/总线形拓扑结构
总线型拓扑是采用主线传输作为共用的传输介质，将网络中所有的计算机通过相应的硬件接口和电缆直接连接到这根共享总线上。
总线型拓扑结构适用于接入点相对较少的局域网络；树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。
树形/总线形拓扑结构
7.3.3环形拓扑结构
环形拓扑接入网设备通过转发器接入网络，每个转发器仅与两个相邻的转发器有直接的物理线路。
环形网的数据传输具有单向性，一个转发器发出的数据只能被另一个转发器接收并转发。
所有的转发器及其物理线路构成了一个环状的网络系统。
环形拓扑结构
7.4星形拓扑视频监控网络详细设计
7.4.1方案模型
星形拓扑视频监控网络方案模型可以分为公安自建专网方案模型和租用公网方案模型两种，且均可以认为是点对点接入方案模型，实际应用中一般都布置为扩展星形拓扑结构，本方案按扩展星形方案编写。
注：
无论是公安机关自建视频专网，还是租用运营商视频专网，视频资源在接入公安信息网时都必须经过网闸设备。
星形拓扑分为星形拓扑和扩展星形拓扑两种方式；扩展星形拓扑指汇聚层交换机进行双机热备和负载均摊，同时必须都开启生成树协议，防止在接入层和汇聚层之间形成环网；这样可以快速定位单点故障，增强视频网络传输的可靠性。
星形拓扑结构是IP监控中最常用的组网方式，也是小型平安城市视频专网建设方案的首选。
实际应用当中，可针对项目具体规模进行方案调整。
如果项目规模属于中小型规模，则不会使用汇聚层交换机，接入层交换机直接接入核心层交换机，同时核心层设备进行双机热备方案；如果项目规模属于中型以上规模，仍然使用星形拓扑组网，则汇聚层交换机需要根据实际项目进行增加扩容。
公安自建视频专网星形拓扑模型
租用运营商网络星形拓扑
7.4.2详细说明
接入层部分：
公安自建视频专网方案，接入层只需要使用接入交换机即可，通过接入交换机直接与前端监控设备和汇聚层相连。
在派出所视频监控领域，采用千兆网口与汇聚层交换机相连，派出所中接入交换机按照堆叠方式使用，则单路接入交换机最多可以接入100高清监控设备（前端监控设备全部使用高清8M码流，网络带宽裕量按照最低40%进行估算）；实际应用之中，会根据实际派出所需要接入的前端监控点位增加到汇聚层交换机的接入路数；我司网络监控前端产品都支持标准的百千兆电口，个别产品还有模拟视频输出接口，方便用户应用，更有利于对原星形组网进行模拟化或数字化改造；
租用运营商视频专网方案，接入层设备除了使用接入层交换机之外，还要使用路由器接入到运营商网络，再通过运营商网络上行至汇聚层。
一般电信运营商会在要求监控设备接入城域网，在城域网骨干结构中转发至当地公安机关监控中心，这种方式我们只要考虑接入层即可，汇聚层和核心层多采用网状方案架构，不需要集成商去考虑；
汇聚层部分：
公安自建视频专网方案，分局监控中心直接使用千兆接入交换机接入到背板具有万兆背板转发能力的汇聚层交换机，双机热备汇聚层交换机方案，则最大可以接入3600路高清监控设备（裕量按照40%进行估算）；实际应用中，考虑到并发视频流量和网络布线复杂程度。
对于大型和超大型平安城市建设方案，市局监控中心可以采用电信级核心交换机，同时增加汇聚层交换机数量，采用不同分局在汇聚层进行隔离的方式，则可以架设监控点位超万的大型城市监控网络。
租用运营商视频专网方案，汇聚层同样需要增加路由器接入到运营商网络，这里的接入带宽可以选用的有155M、622M、10G等POS接入方式，一般考虑到实际建设成本，大多选用155M进行接入，也就限制了实时高清视频接入的最大点数（理论最高8路），接入的视频监控区域也是防控重点区域。
核心层部分：
公安自建视频专网方案，核心层交换机必须使用电信级交换机，对于自建型视频专网，核心交换机背板转发带宽选择100G以上即可满足一般小型平安城市项目网络建设；
租用运营商视频专网方案，核心层交换机背板带宽一般选择1T以上，业内背板物理带宽一般均在3T以内，使用软件升级扩展方式可以达到14.4T，但实际应用中极少；
IP地址规划：
按照网络设备所在的网络层次进行划分，其中核心层为A类地址（10.0.0.0~10.255.255.255），汇聚层为B类地址（172.16.0.0~172.131.255.255），接入层为C类地址（192.168.0.0~192.168.255.255）；IP地址各段码分配原则，如IP地址10.A.B.X，A一般表示业务，B一般表示地域；相同业务之间需要互通，相同地域不同业务需要做到隔离；每种业务只需要配置一条路由即可，在视频监控网络中，使用最多的是视频传输业务，则必须为视频传输业务配置一条路由：
10.A.0.0/8；
举例说明：
市局和分局视频专网内所有设备的LOOPBACK地址依次从172.16.0.1/23分配，共508个地址。
所有设备的互联地址依次从172.16.1.1/30——172.16.20.253/30共1280个/30网段中依次分配；
各派出所监控网络的IP地址从172.17.0.1/16-172.31.255.255/16共15个网段，每个网段有64770个可用的IP地址；
社会公共视频信息系统及公安其它监控系统（安全域外）等IP地址从192.168.0.1/24分起，以此类推。
路由规划：
对于公安自建视频专网方案，采用静态路由规划原则，在汇聚层将不同派出所分配到不同Vlan段，不同Vlan间通信采用静态路由方式实现；
租用运营商专网方案，选择OSPF作为公安视频专网的IGP协议，对网络路由进行规划。
根据不同地市划分不同的OSPF区域，以此减少路由震荡对网络的影响。
QOS部署：
对于不同的业务如视频监控业务，网管和统一调度业务，普通业务，分别在接入交换机时对其进行IP优先级/DSCP标记，并且基于IP优先级/DSCP对流量进行分类。
保证视频监控业务、网管和统一调度业务有高的优先级；
在分局和市局广域网的入口，通过流量监管机制，在入口侧限制业务中不同信息流的流量，此功能在边缘局域网交换机上进行；
这些业务在从LAN发送到WAN时肯定会在出口处发生拥塞，采用拥塞避免措施如通过WRED/尾丢弃机制对不同业务区别对待，避免网络内部流量振荡，减少TCP窗口发送的段；
通过队列调度算法，保证高优先级的队列数据优先通过，比如综合征管业务和其它关键业务。
从而保证业务数据的带宽、时延、时延抖动等QoS性能。
7.5树形总线形拓扑视频监控网络详细设计
7.5.1方案模型
树形/总线形拓扑在目前视频监控网络拓扑中主要存在于PON的接入方案中，如果平安城市方案前端监控点多且分散，继续使用采用星形拓扑结构（单拉光纤+光端机的方式），则需要铺设大量光缆，工程量巨大，且每条线路带宽也得不到有效利用，存在巨大的线路资源浪费。
因此，我们建议在分散监控点采用PON技术，根据监控点的分布情况，由各接入点引出若干条光纤，通过无源分光器，以树形的结构延伸到各监控点，所有前端监控设备共用一条物理传输线路，所有的数据发往同一条线路。
关于PON接入方式组网，本方案针对EPON和GPON两种接入方式进行说明，在平安城市建设中，需要根据实际项目规模和建设成本进行选择。
树形结构方案模型
理论上最多可以使用7级分光，但是考虑到实际应用，不建议分光超过三级；汇聚层和核心层配置与星形方案相同。
7.5.2详细说明
OLT部署：
综合考虑用户分布、局房条件和光缆资源情况，OLT设备应集中设置在汇聚机房和核心机房，以及有条件的接入机房，做为城域数据网的业务汇聚节点。
光分路器（POS）设置：
PON网络宜采用一级分光，尽量不超过两级分光。
监控点规模较小时，光分路器应集中设置；监控点规模较大时，光分路器可适当分散设置，以便尽量靠近用户；由于它的功能是分发下行数据，并集中上行数据，POS可以放置在主干光纤上。
ONU设置：
根据视频监控业务实际需求，ONU尽量布置在室内，并加一个弱电盒；可以放在前端视频监控点附近或内置在编码器上，对于前端监控摄像头较为聚集的位置，采用单独的ONU设备，一端连接PON光纤，另一端通过双绞线连接编码器；对于其他较为分散的监控点，则采用编码器内置ONU插卡的方式，将编码器直接连入PON网络。
功率预算：
GPON与EPON的总光功率预算分别取28dB、25dB。
原则上活接头数量尽量不超过7个。
在7个活接头、1:
32分光比情况下，EPONOLT至ONU传输距离为5km，GPONOLT至ONU传输距离可按10km规划。
如果需要覆盖更大范围，可适当降低分光比。
7.5.3方案优缺点及适用范围
优点：
（1）易于分布。
由于节点直接连接到总线上，节点连线短，安装容易，扩充方便；
（2）系统可靠性高，维护成本低。
采用无源光网络，消除了局端与用户端之间的有源设备，因而避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节省了维护成本；
缺点：
（1）故障诊断困难。
各节点共享总线，因此任何一个节点出现故障都将引起整个网络无法正常工作，并且在检查故障时必须对每一个节点进行检测才能查出有问题的节点；
（2）故障隔离困难。
如果节点出现故障，则直接要将节点除去，如果出现传输介质故障，则整段总线要切断；
适用范围：
在平安城市监控网络方案建设中，如果原监控网络已经很健全，建议沿用原网络接入和建设方案；对于原监控网络很少或空白的情况，尤其是区域面积较大，监控点位分布分散的情况，推荐使用PON的方式进行树形或总线形组网，可以减少网络建设方面的成本投入。
选择EPON还是GPON，目前业内没有统一的规范和口径，往往单纯依赖传输距离的远近进行选择，如果传输距离较远，认为首选GPON，但是在实际视频监控网络方案建设中，平安城市监控点设立范围不会超过百公里，需要考虑到GPON实际还要将视频流数据进行重新编码，更换协议传输，因此，视频监控中建议首选EPON方式。
7.6环形拓扑视频监控网络详细设计
7.6.1方案模型
环形拓扑视频监控网络方案，按网络层次划分，有两种形式，一种是在汇聚层构建RPR环网，一种是在接入层构建环形网络；RPR环网结构在核心层进行部署已经被业内定为失败的尝试与实践，但运营商青睐于在汇聚层组建RPR环网，搭建MSTP（多业务传输平台），使用SDH进行各项业务的网络接入。
环形网络是由网络中若干节点，通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，这种结构使数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点，简化了路径的选择。
在城域网骨干和接入网，在分散的政务网、企业网和校园网中，都可以采用环状的网络。
环形结构方案模型
注：
如果是公安自建网络，可以选用此组网方式，对于租用运营商网络方案，如果运营商网络在汇聚层已经进行了环形城域网组建，则也可认为是环形组网；
7.6.2详细说明
RPR网采用具有相反旋转方向的双环拓扑结构，其中报文发送方向为逆时针的称为“内环”（innerring），报文发送方向为顺时针的称为“外环”（outerring），两个环可同时发送数据报文和控制报文。
数据报文的发送称为下行（downstream），控制报文的发送称为上行（upstream）。
内环和外环的控制报文分别为对方的数据报文发送提供控制。
RPR网中的每个节点均连接有内环收发、外环收发两对光纤。
每个节点包括A侧（sideA）和B侧（sideB）。
通常，将外环的接收光纤Rx所在的一侧称为节点的A侧，将内环的接收光纤Rx所在的一侧称为节点的B侧。
当出现节点故障或线路故障时，RPR的双环结构提供WRAP机制，WRAP的控制通过保护机制（Protection）进行。
在RPR网上，单播流量只在源节点到目的节点之间传播，从而提高了带宽利用率。
由于环网上的节点共享带宽，RPR网使用了两类访问控制方法：
全局访问控制用于保证每个节点都能公平地使用整个环的带宽；本地访问控制用于对环上利用率不高的段提供更多的访问机会。
通过以上两类访问控制，达到全局公平、局部优化的效果。
7.6.3方案优缺点及适用范围
优点：
（1）拓扑简洁。
与星形和树形拓扑相比，环形拓扑更为简洁；
（2）带宽利用率高。
整体环网可以达到线速转发；
（3）高可靠性。
在出现故障的时候，能提供故障自动保护倒换的故障自愈机制，数据的时延抖动小。
如RPR在节点失效的情况下，能在50ms内自动将话务绕到备用光纤上传输。
（4）扩展方便。
RPR环形网络可以在不中断业务的同时，添加和移除设备，在同一个环内，具有很好的网络扩展能力。
缺点：
环形网络可以组建相切环、相交环、环带链等复杂的网路拓扑，但无法很好实现，独立组大网的能力较弱。
对于大型视频监控网络方案，不建议使用环形结构组网；
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